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《湖南大学》 2014年
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发动机结构辐射噪声数值仿真及优化设计研究

冯仁华  
【摘要】:空气污染、水污染和噪声一起被列为当今世界三大主要污染源,并且已经成为一个世界性的问题。在现代城市环境噪声源中,汽车所产生的噪声所占的比例最大,而发动机噪声是汽车的主要噪声源。随着汽车市场竞争越来越激烈,低噪声已经成为乘坐舒适性的一部分,与动力性、经济性和排放性一起成为了评价汽车品质的重要指标。因此,作为汽车主要噪声源的发动机噪声机理和降噪技术研究具有重要的意义。 本文以上海大众1.4TSI EA111涡轮增压缸内直喷汽油机为具体研究对象,在充分研究了与本研究课题相关的国内外文献基础上,首先详细介绍了发动机辐射噪声的国内外研究现状,然后对发动机的噪声机理、传播途径、噪声源识别及分离技术、结构辐射噪声预测关键问题及其发展趋势进行了分析,最后根据所阐述的发动机结构辐射噪声预测的总体思路和分析流程,对发动机整机结构辐射噪声预测、计算方法和优化等进行了一系列深入的研究工作。本文主要研究工作包括: (1)应用Pro/E软件通过参数化建模的方式建立了发动机整机的三维数模,并利用Hypermesh软件建立了机体、缸盖、缸盖罩、正时罩盖、变速箱箱体、油底壳等发动机主要部件的有限元模型,并对主要零部件及发动机整机进行了有限元模态分析,掌握了整个发动机及其相关零部件的动力学特性。通过与发动机模态试验的振型和频率等结果进行对比和分析,表明计算所使用的模型准确、合理。 (2)应用ABAQUS软件对发动机的主要零部件有限元模型的自由度进行了缩减,并基于AVL Excite Power Unit (Excite PU)平台,建立了发动机多体动力学计算模型,计算分析了发动机外特性下的振动特性,并与发动机振动试验进行了对比分析,试验结果和模拟结果一致性较好。最后利用噪声恢复的方法获得了发动机的表面振动速度,为后期的发动机辐射噪声计算和分析提供了边界条件。 (3)通过在Hypermesh中所建立的发动机有限元模型,利用LMS Virtual Lab的结构模块(Structure)获得了发动机表面边界元网格模型,并结合前期所获得的发动机表面振动速度的边界条件,采用间接边界元法在LMS Virtual Lab Acoustic中对发动机整机外特性下的辐射噪声进行了预测,分析研究了各转速下发动机辐射噪声声功率、声场及场点的声压分布等辐射噪声特性,并通过试验对各场点声压级进行了验证,结果表明各场点声压级试验值和模拟值整体趋势相符。 (4)通过试验方法对该发动机的噪声源识别、进气噪声、燃烧噪声、变速箱噪声、冷启动噪声和停机过程噪声进行了研究,获得了不同转速、不同负荷下发动机的主要辐射噪声源和进气噪声、燃烧噪声、变速箱噪声、冷启动和停机过程噪声的特性。 (5)详细介绍和分析了声学有限元法、边界元法和快速多级边界元法的优缺点,并以表面振动速度法为基础,基于Matlab程序软件平台开发了准确高效的发动机辐射噪声计算程序。利用传统边界元法、快速多级边界元法和所开发Matlab程序软件对普通平板、发动机缸盖罩和发动机整机进行了辐射噪声声功率的计算,对比结果显示Matlab程序软件计算结果与边界元法和快速多级边界元法相比,在低频段有一定的差距,而随着频率的增加,差距越来越小,三种方法计算得到的峰值声功率所对应的频率点相同。通过对普通平板、发动机缸盖罩和发动机整机辐射噪声声功率计算效率的对比和分析,Matlab程序软件的计算效率在各种网格规模的情况下都比传统边界元和快速多级边界元高,而且随着网格规模的提高,效率提高越明显。而快速多级边界元只有在网格规模达到一定的程度时,其计算效率和传统边界元对比才具备一定的优势。 (6)基于所开发的Matlab程序软件,并结合Minitab中的DOE分析和优化,提出了发动机辐射噪声优化新方法和流程。本文中以所研究的发动机机体为例,根据所提出的发动机辐射噪声优化方法和流程,利用Minitab DOE对影响机体辐射噪声的7个因素(机体侧壁厚度、裙部厚度、下部与油底壳结合处的厚度、前后端主轴承盖上部隔板、侧壁加强筋厚度、裙部加强筋厚度和后端加强筋厚度)进行了不同方案的分析,找出了各因素对机体辐射噪声声功率和质量的影响情况,并以机体辐射噪声声功率和质量为目标对各因素进行了优化。优化后的机体辐射噪声声功率降低了1.52dB(A),机体质量增加了0.4kg,基本上满足目标要求。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:U464

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【参考文献】
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